DE112012004806T5

DE112012004806T5 - Solarzelle und Fertigungsverfahren für Solarzelle

Info

Publication number: DE112012004806T5
Application number: DE112012004806.7T
Authority: DE
Inventors: c/o SANYO Electric Co. Ltd. Tokuoka Nozomu; c/o Sanyo Electric Co. Ltd. Ibara Yoshikazu
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: US20140182675A1; JPWO2013073211A1; DE112012004806B4; WO2013073211A1; JP5971634B2; WO2013073045A1

Abstract

Eine Solarzelle (10) umfasst: eine photoelektrische Wandlereinheit (11); eine transparente leitende Schicht (30), umfassend ein transparentes, leitendes Oxid (TCO), gebildet auf der Hauptfläche der photoelektrischen Wandlereinheit (11); einen Fingerabschnitt (31) und einen Sammelschienenabschnitt (32), die auf der transparenten, leitenden Schicht (30) gebildet sind. Die transparente leitende Schicht (30) besitzt Partikel (50) in einer Kontaktzone (R), in der der Fingerabschnitt (31) und der Sammelschienenabschnitt (32) gebildet sind. Der Partikeldurchmesser der Partikel (50) beträgt zum Beispiel 10–200 nm.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle und ein Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle.
Technischer Hintergrund
Eine Solarzelle enthält eine transparente, leitende Schicht, die über einer Hauptfläche einer photoelektrischen Wandlereinheit ausgebildet ist, ferner eine Sammelelektrode, die über der transparenten, leitenden Schicht gebildet ist (siehe Patentschrift 1). Die Patentschrift 1 offenbart eine Solarzelle mit einer Zone geringen Widerstands für einen Bereich der transparenten, leitenden Schicht, der mit der Sammelelektrode in Kontakt steht.
[Schriften zum Stand der Technik]
[Patentschrift]

[Patentschrift 1] JP 2000-58888 A

Offenbarung der Erfindung
[Technisches Problem]
Da die Möglichkeit besteht, dass die Sammelelektrode sich von der transparenten leitenden Schicht abschält, wird eine Verbesserung der Kontaktstärke zwischen der Sammelelektrode und der transparenten leitenden Schicht angestrebt.
[Lösung des Problems]
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle geschaffen, welche aufweist: eine photoelektrische Wandlereinheit; eine transparente leitende Schicht, die über einer Hauptfläche der photoelektrischen Wandlereinheit gebildet ist; und eine Sammelelektrode, die über der transparenten leitenden Schicht gebildet ist, wobei die transparente leitende Schicht auf einer Oberfläche von ihr Partikel aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle geschaffen, welche aufweist: eine photoelektrische Wandlereinheit; und eine über einer Hauptfläche der photoelektrischen Wandlereinheit gebildete Elektrode, wobei die Elektrode aufweist: eine säulenähnliche Kristallschicht, die über der Hauptfläche der photoelektrischen Wandlereinheit gebildet ist und transparent und leitend ist; eine nicht-säulenähnliche Kristallschicht, die über der säulenähnlichen Kristallschicht gebildet ist und außerdem transparent und leitend ist; und eine Sammelelektrode, die über der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht gebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Solarzelle geschaffen, welche aufweist: eine photoelektrische Wandlereinheit; und eine über einer Hauptfläche der photoelektrischen Wandlereinheit gebildete Elektrode, wobei die Elektrode aufweist: eine hochdichte Schicht, die über der Hauptfläche der photoelektrischen Wandlereinheit gebildet ist, und transparent und leitend ist; eine niedrigdichte Schicht, die über der hochdichten Schicht gebildet ist, die eine geringere Dichte als die hochdichte Schicht besitzt, und die transparent und leitend ist; eine Sammelelektrode, die über der niedrigdichten Schicht gebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle geschaffen, welches aufweist: Ausbilden einer transparenten leitenden Schicht, die mittels eines transparenten, leitenden Oxids über einer Hauptfläche einer photoelektrischen Wandlereinheit gebildet wird; Reduzieren des transparenten, leitenden Oxids in einem Bereich einer Oberfläche der transparenten leitenden Schicht, über dem eine Sammelelektrode zu bilden ist, um Partikel zu bilden; und anschließendes Bilden der Sammelelektrode über dem Bereich.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle geschaffen, welches aufweist: Ausbilden einer transparenten, leitenden Schicht, die mittels eines transparenten leitenden Oxids über einer Hauptfläche einer photoelektrischen Wandlereinheit gebildet wird; Reduzieren des transparenten, leitenden Oxids in einem Bereich einer Oberfläche der transparenten, leitenden Schicht, über dem eine Sammelelektrode zu bilden ist, um eine nicht-säulenähnliche Kristallschicht zu bilden; und einen anschließenden Schritt des Bildens der Sammelelektrode über dem Bereich, wobei in dem Schritt des Bildens der Sammelelektrode das transparente, leitende Oxid vor oder nach der Bildung der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht thermisch behandelt wird, um eine säulenähnliche Kristallschicht in anderen Bereichen als der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht zu bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen einre Solarzelle geschaffen, welches aufweist: Bilden einer transparenten, leitenden Schicht mittels eines transparenten, leitenden Oxids über einer Hauptfläche einer photoelektrischen Wandlereinheit; Reduzieren des transparenten leitenden Oxids in einem Bereich einer Oberfläche der transparenten leitenden Schicht, über dem eine Sammelelektrode zu bilden ist, um eine niedrigdichte Schicht zu bilden, und einen anschließenden Schritt des Bildens der Sammelelektrode über dem Bereich, wobei in dem Schritt des Bildens der Sammelelektrode das transparente leitende Oxid vor oder nach der Bildung der niedrigdichten Schicht thermisch behandelt wird, um eine hochdichte Schicht mit einer höheren Dichte als die niedrigdichte Schicht in anderen Bereichen als der niedrigdichten Schicht zu bilden.
[Vorteilhafte Wirkungsweisen der Erfindung]
Bei der Solarzelle und dem Fertigungsverfahren für diese gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung lässt sich die Kontaktfestigkeit zwischen der transparenten leitenden Schicht und der Sammelelektrode verbessern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht auf eine Solarzelle gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform de Erfindung, betrachtet von der Seite einer Lichtaufnahmefläche.
2 ist ein Diagramm, welches schematisch einen Teil eines Querschnitts entlang einer Linie A-A in 1 veranschaulicht.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils B in 2.
4 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Kontaktfläche einer transparenten leitenden Schicht in einer Solarzelle gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
5 ist ein Diagramm, welches schematisch ein Beispiel eines Fertigungsprozesses für eine Solarzelle gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
6 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Kontaktfläche einer transparenten leitenden Schicht in einer Solarzelle gemäß einer alternativen Konfiguration der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist ein Diagramm, das schematisch einen beispielhaften Fertigungsprozess für eine Solarzelle gemäß einer alternativen Konfiguration der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
8 ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt einer transparenten leitenden Schicht und einer dazu nahe gelegenen Zone in einer Solarzelle gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist ein Diagramm, welches schematisch einen beispielhaften Fertigungsprozess für eine Solarzelle gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt der transparenten leitenden Schicht und einer zu ihr nahegelegenen Zone in einer Solarzelle gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
11 ist ein Diagramm, das schematisch einen beispielhaften Fertigungsprozess einer Solarzelle gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
12 ist ein Querschnitt-Diagramm, das schematisch eine alternative Konfiguration einer photoelektrischen Wandlereinheit in einer Solarzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist ein Querschnitt-Diagramm, das schematisch eine weitere alternative Konfiguration einer photoelektrischen Wandlereinheit in einer Solarzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Bester Weg zum Ausführen der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt. Ferner sind die in den bevorzugten Ausführungsformen angesprochenen Zeichnungen schematischer Natur, wobei Größen und Verhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente von den tatsächlichen Strukturen abweichen können. Die spezifische Größe, das Verhältnis etc. sollten im Hinblick auf die nachfolgende Beschreibung bestimmt werden.
Bei der vorliegenden Beschreibung soll die Angabe „ein zweites Objekt (beispielsweise eine transparente leitende Schicht)”, die „über einem ersten Objekt (beispielsweise einer Hauptfläche einer photoelektrischen Wandlereinheit) gebildet ist (vorgesehen ist, existiert oder dergleichen)” nicht so verstanden werden, dass sie nur den Fall umfasst, in welchem das erste und das zweite Objekt in direkter Berührung miteinander gebildet sind, wenn nichts anderes gesagt ist. In anderen Worten: eine derartige Angabe beinhaltet auch eine Struktur, in der weitere Objekte zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt vorhanden sind.
Bezugnehmend auf die 1 und 2 wird im folgenden detailliert eine Struktur einer Solarzelle 10 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erläutert.
1 ist eine Draufsicht auf die Solarzelle 10 bei Betrachtung von der Seite einer Lichtaufnahmefläche. 2 ist ein Diagramm, welches einen Teil eines Querschnitts entlang einer Linie A-A in 1 veranschaulicht, und sie zeigt einen Querschnitt, der die Solarzelle 10 in dickenrichtung orthogonal zu einer Fingereinheit 31 darstellt.
Die Solarzelle 10 besitzt eine photoelektrische Wandlereinheit 11, die das Sonnenlicht aufnimmt und Ladungsträger erzeugt, eine Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12, die über der Lichtaufnahmefläche der photoelektrischen Wandlereinheit 11 gebildet ist, und einer Rückseitenelektrode 13, die über einer Rückseite der photoelektrischen Wandlereinheit 11 gebildet ist. In der Solarzelle 10 werden an der photoelektrischen Wandlereinheit 11 erzeugte Ladungsträger von der Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 und der Rückseitenelektrode 13 gesammelt.
Im vorliegenden Zusammenhang bezieht sich der Begriff „Lichtaufnahmefläche” auf eine Haupt- oder Primärfläche, durch die hindurch das Sonnenlicht vornehmlich von außen her in die Solarzelle 10 eintritt. Beispielsweise dringt von dem in die Solarzelle 10 eintretenden Sonnenlicht mehr als 50% bis hin zu 100% Sonnenlicht von der Seite der Lichtaufnahmefläche ein. Die „Rückseite” bezieht sich auf eine Hauptfläche abgewandt von der Lichtaufnahmefläche. Flächen entlang der Dickenrichtung der Solarzelle 10, welche rechtwinklig zu der Hauptfläche verlaufen, sind Seitenflächen.
Die photoelektrische Wandlereinheit 11 besitzt beispielsweise ein Halbleitersubstrat 20, eine amorphe Halbleiterschicht 21, die über der Seite der Lichtaufnahmefläche des Substrats 20 gebildet ist, und eine amorphe Halbleiterschicht 22, die über der Rückseite des Substrats 20 gebildet ist. Die amorphen Halbleiterschichten 21 und 22 bedecken die gesamten Zonen der Lichtaufnahmefläche bzw. der Rückseite (was einen Zustand beinhaltet, den man als im wesentlichen die gesamte Zone betrachten kann, beispielsweise einen Zustand, in welchem 95% der Lichtaufnahmefläche bedeckt sind, was ähnlich auch für die nachfolgende Beschreibung gilt) des Substrats 20.
Ein spezifisches Beispiel des Substrats 20 ist ein n-leitendes, einkristallines Siliciumsubstrat. Die amorphe Halbleiterschicht 21 besitzt eine Schichtstruktur, in der beispielsweise eine eigenleitende (i-Typ-)amorphe Siliciumschicht und eine p-leitende amorphe Siliciumschicht sequentiell ausgebildet sind. Die amorphe Halbleiterschicht 21 besitzt eine geschichtete Struktur, in der beispielsweise eine eigenleitende amorphe Siliciumschicht und eine n-leitende amorphe Siliciumschicht sequentiell gebildet sind. Alternativ kann die photoelektrische Wandlereinheit 11 eine Struktur aufweisen, in welcher eine amorphe i-Siliciumschicht und eine amorphe n-Siliciumschicht sequentiell über der Lichtaufnahmefläche eines einkristallinen n-Siliciumsubstrats gebildet sind und eine amorphe i-Siliciumschicht und eine amorphe p-Siliciumschicht sequentiell über der Rückseite des einkristallinen n-Siliciumsubstrats gebildet sind.
Die Lichtaufnahmefläche und die Rückseite des Substrats 20 besitzen vorzugsweise eine (nicht dargestellte) Textur. Diese Textur-Struktur bedeutet eine Oberflächen-Ungleichmäßigkeit-Struktur, die eine Reflexion an der Oberfläche verhindert und das Maß der Lichtabsorption der photoelektrischen Wandlereinheit erhöht. Die Höhe der Ungleichmäßigkeit der Textur beträgt etwa 1 μm bis 15 μm. Weil die Dicke der amorphen Halbleiterschicht 21 und 22 und der transparenten leitenden Schichten 30 und 40, die weiter unten noch zu erläutern sind, einige Nanometer bis zu einigen 100 Nanometer beträgt, tritt die Ungleichmäßigkeit der Textur auch auf den transparenten leitenden Schichten 30 und 40 in Erscheinung.
Die Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 enthält eine transparente leitende Schicht, die über der Lichtaufnahmefläche der photoelektrischen Wandlereinheit 11 ausgebildet ist. Die transparente leitende Schicht 30 (und auch die transparente leitende Schicht 40) ist durch ein transparentes leitendes Oxid (im folgenden als „TCO” bezeichnet) gebildet, in dem beispielsweise ein Metalloxid wie Indiumoxid (In₂O₃) und Zinkoxid (ZnO) mit Zinn (Sn), Antimon (Sb) oder dergleichen dotiert ist. Die transparente leitende Schicht 30 (und auch die transparente leitende Schicht 40) kann die gesamte Zone über der amorphen Halbleiterschicht 21 bedecken, jedoch bedeckt in der in 1 gezeigten Konfiguration die transparente leitende Schicht 30 die gesamte Zone über der amorphen Halbleiterschicht 21 mit Ausnahme eines Umfangs-Randbereichs. Die Dicke der transparenten leitenden Schichten 30 und 40 beträgt vorzugsweise 30 nm–500 nm, insbesondere bevorzugt etwa 50 nm–200 nm.
Die Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 enthält als Sammelelektrode, welche Ladungsträger durch die transparente leitende Schicht 30 sammelt, mehrere (beispielsweise 50) Fingeranschlüsse 31, die über der transparenten leitenden Schicht 30 gebildet sind. Bei er vorliegenden Ausführungsform enthält außerdem die Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 mehrere (beispielsweise 2) Sammelschienenabschnitte 32, die über der transparenten leitenden Schicht 30 gebildet sind und sich in einer die Fingerabschnitte 31 kreuzenden Richtung erstrecken. Die Fingerabschnitte 31 sind dünnlinige Elektroden, die in einem breiten Bereich über der transparenten leitenden Schicht 30 gebildet sind. Bei dem Sammelschienenabschnitt 32 handelt es sich um eine Elektrode, die Ladungsträger aus den Fingerabschnitten 31 sammelt, und es ist zum Beispiel eine Elektrode, an die eine Verdrahtung angeschlossen ist, wenn die Solarzelle 10 in ein Modul integriert ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind der Fingerabschnitt 31 und der Sammelschienenabschnitt 32 jeweils durch Elektroplattieren gebildete plattierte Elektroden. Der Fingerabschnitt 31 und der Sammelschienenabschnitt 32 werden im folgenden auch kollektiv als „Sammelelektrode” oder „plattierte Elektrode” bezeichnet. Die plattierte Elektrode wird über einem Bereich oberhalb der transparenten leitenden Schicht 30 gebildet, in welchem die Überzugsschicht 14 nicht ausgebildet ist. Die plattierte Elektrode wird zum Beispiel mit einem Metall wie Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Silber (Ag) oder dergleichen gebildet und besitzt vorzugsweise eine Lagenstruktur aus einer plattierten Nickelschicht mit einer plattierten Kupferschicht.
Über der transparenten leitenden Schicht 30 ist eine Isolier-Überzugsschicht 14 gebildet. Die Überzugsschicht 14 ist vorzugsweise über der gesamten Zone auf der Lichtaufnahmefläche mit Ausnahme derjenigen Zone ausgebildet, wo sich die plattierte Elektrode befindet, und im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist sie auch über dem gesamten endseitigen Umfangsbereich der amorphen Halbleiterschicht 21 gebildet. Eine Dicke der Überzugsschicht 14 beträgt beispielsweise 20 μm bis 30 μm, die Schicht ist geringfügig dünner als die Dicke der plattierten Elektrode. Ein Werkstoff der Überzugsschicht 14 ist vorzugsweise ein photoaushärtendes Harz, beispielsweise Epoxyharz oder dergleichen, gewählt im Hinblick auf die Produktivität, Isoliereigenschaften, Kontakteigenschaften mit einem Modul-Füllelement und dergleichen.
Die Rückseitenelektrode 13 enthält vorzugsweise eine transparente leitende Schicht 40 über der amorphen Halbleiterschicht 22, eine über der gesamten Zone der transparenten leitenden Schicht 40 gebildete Metallschicht 41 und mehrere Sammelschienenabschnitte 42 auf der Metallschicht 41. Die Metallschicht 41 ist eine Dünnschicht aus einem metallischen Werkstoff wie beispielsweise Silber (Ag) mit hohem Lichtreflexionsvermögen und hoher elektrischer Leitfähigkeit. Eine Dicke der Metallschicht 41 beträgt zum Beispiel 0,1 μm–5 μm. Alternativ kann in der Rückseitenelektrode 13 die Metallschicht 41 durch einen Fingerabschnitt ersetzt werden, und der Fingerabschnitt sowie der Sammelschienenabschnitt 42 können durch Elektroplattieren gebildet werden.
Im folgenden wird anhand der 3 und 4 eine Struktur der transparenten leitenden Schicht 30 weiter erläutert.
3 ist ein Diagramm, welches einen Querschnitt in der Nähe einer Oberfläche der transparenten leitenden Schicht 30 zeigt (ein vergrößertes Diagramm des Abschnitts B in 2), hier vergrößert dargestellt, und 4 ist eine Draufsicht auf eine Kontaktfläche R der transparenten leitenden Schicht 30.
Die transparente leitende Schicht 30 besitzt mehrere Partikel auf ihrer Oberfläche (vgl. 3). Vorzugsweise existieren die Partikel 50 selektiv auf einer Kontaktfläche R, bei der es sich um einen Kontaktbereich der Sammelelektrode der Oberfläche der transparenten leitenden Schicht 30 handelt. Andererseits existieren die Partikel 50 vorzugsweise nicht in anderen Bereichen als der Kontaktfläche R, das sind Bereiche, in denen das Sonnenlicht aufgenommen wird.
Die Partikel 50 ragen von der Oberfläche der transparenten leitenden Schicht 30 vor. Die Partikel 50 haben eine Form mit einer gekrümmten Oberfläche ähnlich einer Dom-Form, einer Halbkugelform, einer Kugelform oder einer Zapfenform, und insbesondere existieren zahlreiche Partikel mit der Halbkugelform oder der Kugelform. Wie weiter unten näher erläutert wird, können die Partikel 50 dadurch gebildet werden, dass das die transparente leitende Schicht 30 bildende TCO reduziert wird. In anderen Worten, bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Partikel 50 aus einem Teil der transparenten leitenden Schicht 30 geformt, so dass sie auch als Teilchen-Vorsprünge bezeichnet werden können.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Zusammensetzung der Partikel 50 ein Reduktionsprodukt von TCO. Wenn beispielsweise TCO ein Metalloxid mit der Hauptkomponente Indiumoxid (In₂O₃) ist, so ist die Zusammensetzung der Partikel 50 Indiumoxid, welches im Vergleich zu In₂O₃, welches die anderen Bereiche als die Kontaktfläche R bildet, reicher an Indium ist, oder In.
Ein Partikeldurchmesser D des Partikels 50 ist vorzugsweise größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 200 nm. Zumindest der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Partikel 50 ist vorzugsweise größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 200 nm. Der Partikeldurchmesser D wird mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops (REM) oder eines Transmissions-Elektronenmikroskops (TEM) gemessen. Wenn der Partikel 50 eine nicht-kugelige Form aufweist, beispielsweise eine Zapfenform, so ist ein Längsdurchmesser der Partikeldurchmesser D. Der Längsdurchmesser des Partikels 50 ist definiert als eine Langseite eines umschreibenden Rechtecks des Partikels 50, definiert in einem zweidimensionalen Mikroskopfilm (eine kurze Seite des umschreibenden Rechtecks ist als Kurzachsen-Durchmesser des Partikels 50 definiert).
Der durchschnittliche Partikeldurchmesser ist ein Durchschnittswert der Partikeldurchmesser D und entspricht dem sogenannten Zahlen-Durchschnittsdurchmesser. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser ist ein Durchschnittswert der Partikeldurchmesser D sämtlicher Partikel 50, die sich in einem Bereich von 10 μm × 10 μm an der Kontaktfläche R befinden.
Die Partikel 50 existieren gleichmäßig über der Gesamtheit der Kontaktfläche R (vgl. 4). In der beispielhaften Struktur der 4 gibt es auf der Kontaktfläche R keinen Bereich, wo die Anzahl der Partikel 50 extrem hoch oder extrem gering ist im Vergleich mit den übrigen Bereichen, und die Partikel 50 existieren zufällig verteilt und gleichmäßig. Insbesondere ist eine Dichte K der Partikel 50 äquivalent über der Gesamtheit der Kontaktfläche R (einschließlich eines im wesentlichen äquivalenten Zustands wie beispielsweise einem Zustand, in welchem eine Differenz der Dichte K von Unterabschnitten bei Unterteilung eines zweidimensionalen mikroskopischen Bilds der Kontaktfläche R in mehrere Unterabschnitte gleicher Fläche innerhalb von 5% liegt; ähnlich anwendbar bei der nachfolgenden Beschreibung). Die Dichte K bezieht sich auf ein Verhältnis einer Fläche Ap, in der die Partikel 50 bezüglich einer Fläche Ar der Kontaktfläche R existieren, das heißt K% = (Ap/Ar) × 100, und sie lässt sich mit Hilfe eines REM oder TEM messen.
Die Dichte K liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10%–100%, noch bevorzugter in einem Bereich von 20% bis 80% und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 25%–75%. Basierend auf der Beziehung zwischen der Dichte K und dem Zahlendurchschnitts-Partikeldurchmesser Dn ist es möglich, die Kontaktstärke zwischen der transparenten leitenden Schicht 30 und der Sammelelektrode in ausreichendem Maß zu verbessern, während gleichzeitig eine signifikante Zunahme des Flächenwiderstands unterbunden wird.
In der transparenten leitenden Schicht 30 ist eine Dicke eines der Kontaktfläche R entsprechenden Abschnitts, wo die Partikel 50 existieren, dünner als die Dicke der niedrigen Bereiche. In anderen Worten: in der transparenten leitenden Schicht 30 ist der Bereich, in der der Reduktionsprozess des TCOs angewendet wird, dünn gemacht.
In der transparenten leitenden Schicht 30 ist der Flächenwiderstand der Kontaktfläche R größer als der Flächenwiderstand der übrigen Bereiche. Beispielsweise ist der Flächenwiderstand der Kontaktfläche R um einen Faktor von etwa 1,01 bis 5-mal höher, verglichen mit dem Flächenwiderstand der übrigen Bereiche. Der Flächenwiderstand der Kontaktflächen R neigt zu höheren Werten, wenn die Dichte K erhöht wird oder der Zahlendurchschnitts-Partikeldurchmesser Dn größer wird. Der Flächenwiderstand lässt sich nach einem bekannten Verfahren messen (beispielsweise nach dem Vierpunkte-Sonden-Verfahren).
Eine Zone unmittelbar unterhalb der Sammelelektrode, das heißt die Kontaktfläche R, kann einen hohen Flächenwiderstand haben. Dies deshalb, weil die in die Sammelelektrode fließenden Ladungsträger von einer unmittelbar darunter liegenden Zone Z (diese kann auch als Grenzzone zwischen der Kontaktfläche R und den übrigen Bereichen betrachtet werden), einer Seitenfläche 31z der Sammelelektrode von den Zonen der transparenten leitenden Schicht 30 gesammelt werden können.
Alternativ können die Partikel an der Oberfläche der transparenten leitenden Schicht 40 vorhanden sein. Weil die Metallschicht 41 über der gesamten Zone der transparenten leitenden Schicht 40 gebildet ist, können beispielsweise die Partikel über der gesamten Zone der Oberfläche der transparenten leitenden Schicht 40 vorgesehen sein, um die Kontaktstärke zwischen der transparenten leitenden Schicht 40 und der Metallschicht 41 zu verbessern.
Als nächstes soll anhand der 5 ein Fertigungsprozess für die Solarzelle 10 mit der oben beschriebenen Struktur im einzelnen erläutert werden. 5 ist ein Diagramm, welches einen beispielhaften Fertigungsprozess für die Solarzelle 10 veranschaulicht. In 5 ist ein Bereich, in welchem die Partikel 50 gebildet sind, durch Querschraffierung dargestellt. Bei der vorliegenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die Sammelelektrode in zwei Elektroplattierschritten gebildet wird, enthaltend einen Nickel-Plattierschritt und einen Kupfer-Plattierschritt unter der Verwendung der Beschichtungslage 14 als Maske, und der Sammelschienenabschnitt 42 durch Siebdruck unter Verwendung einer leitenden Paste gebildet wird.
Bei dem Fertigungsprozess der Solarzelle 10 wird als erstes die photoelektrische Wandlereinheit 11 mit Hilfe eines bekannten Verfahrens gefertigt (der Fertigungsprozess der photoelektrischen Wandlereinheit 11 wird hier nicht im einzelnen beschrieben). Wenn die photoelektrische Wandlereinheit 11 vorbereitet ist, wird auf der Lichtaufnahmefläche der photoelektrischen Wandlereinheit 11 die Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 gebildet, und die Rückseitenelektrode 13 wird auf der Rückseite der photoelektrischen Wandlereinheit 11 gebildet. Bei der in 5 dargestellten beispielhaften Struktur werden transparente leitende Schichten 30a und 40a, bei denen es sich um Vorläufer der transparenten leitenden Schichten 30 bzw. 40 handelt, auf der Lichtaufnahmefläche und der Rückseite der photoelektrischen Wandlereinheit 11 gebildet, anschließend wird auf der transparenten leitenden Schicht 40a die Metallschicht 41 gebildet (5(a)). Die transparenten leitenden Schichten 30a und 40a und die Metallschicht 41 können zum Beispiel durch Sputtern gebildet werden.
5(b)–5(d) zeigen einen Maskenbildungsschritt, einen Partikelbildungsschritt bzw. einen Elektroplattierschritt. Bei dem Maskenbildungsschritt wird die aus einem photoaushärtenden Harz gebildete Überzugslage 14 auf der transparenten leitenden Schicht 30a als Maske gebildet. In dem Maskenbildungsschritt wird beispielsweise eine bemusterte Beschichtungslage 14 über der gesamten Zone der Lichtaufnahmefläche gebildet. Die bemusterte Überzugslage 14 kann nach einem bekannten Verfahren gebildet werden. Beispielsweise kann die bemusterte Überzugsschicht 14 gebildet werden durch Ausbilden einer Dünnschichtlage aus einem photoaushärtenden Harz über der gesamten Lichtaufnahmefläche mittels Spinbeschichtung, Sprühen oder dergleichen, und durch Anwenden einer lithographischen Methode. Alternativ kann die bemusterte Überzugslage 14 durch Drucken, beispielsweise durch Siebdruck, gebildet werden.
Die Überzugslage 14 wird bemustert, um von der Oberfläche der transparenten leitenden Schicht 30a eine Fläche Ra freizulegen, bei der es sich um einen Bereich handelt, über dem die Sammelelektrode auszubilden ist (eine Fläche Ra wird dann die Kontaktfläche R). Das heißt: eine der Kontaktfläche R entsprechende Öffnung 33 wird in der Überzugsschicht 14 gebildet. Ferner fungiert die Überzugsschicht 14 auch als Maske bei dem Partikelbildungsschritt.
Der Partikelbildungsschritt ist zwischen dem Maskenbildungsschritt und dem Elektroplattierschritt vorgesehen. Der Partikelbildungsschritt ist ein Schritt, in welchem das TCO in der Oberfläche Ra, welches in der Öffnung 33 freiliegt, unter Bildung von Partikeln 50 reduziert wird. Wenn das TCO reduziert wird, so wird im Anfangsstadium der Reduktion eine Menge Sauerstoff in dem TCO reduziert, und der Flächenwiderstand wird geringer, jedoch geht im vorliegenden Schritt die Reduktion weiter voran. Bei einem solchen Prozess wird der Flächenwiderstand größer als vor der Reduktion, und die Oberfläche Rb, in der die Partikel 50 ausfallen (die transparente leitende Schicht 30b), wird gebildet. Wenn beispielsweise das TCO das Indiumoxid (In₂O₃) ist, werden Partikel 50 mit einem größeren Anteil an Indium (In) ausgefällt. In anderen Worten: der Partikelbildungsschritt ist ein Schritt, in welchem der Reduktionsvorgang solange ausgeführt wird, bis die Partikel 50 ausgeschieden sind.
Das Verfahren des Reduktionsprozesses ist nicht speziell beschränkt, solange das Verfahren die Möglichkeit einer selektiven Reduktion des TCO an der Oberfläche Ra zum Abscheiden der Partikel 50 bietet. Beispielsweise lässt sich von einer Reduktion durch einen Wasserstoffplasmaprozess oder einer elektrolytischen Reduktion Gebrauch machen. Ersterer Prozess ist ein Gasphasen-Reduktionsverfahren, letzterer ist ein Flüssigphasen-Reduktionsverfahren. Wenn die elektrolytische Reduktion ausgeführt wird, wird beispielsweise eine wässrige Lösung von Ammoniumsulfat als elektrolytische Lösung eingesetzt, die photoelektrische Wandlereinheit 11, über der die Überzugsschicht 14 gebildet ist, wird als Kathode eingestellt, und als Anode wird eine Platinplatte verwendet. Die photoelektrische Wandlereinheit 11 und die Platinplatte werden in die Elektrolytlösung eingetaucht, und zwischen ihnen wird ein Strom fließen gelassen. Beispielsweise wird eine negative Elektrode einer Stromversorgungsvorrichtung an die photoelektrische Wandlereinheit 11 angeschlossen, und zwar an einem Teil der Oberfläche Ra, der in der Öffnung 33 freiliegt.
Ein Partikeldurchmesser D und eine Dichte K der Partikel 50 wird beispielsweise durch Variieren des fließenden Stroms (Strom × Zeit) justiert. Wenn die Stromstärke erhöht wird, nimmt typischerweise der Partikeldurchmesser D zu, während die Dichte K ansteigt.
In dem Elektroplattierschritt wird das Elektroplattieren mit Hilfe der photoelektrischen Wandlereinheit 11 mit der darauf befindlichen Überzugsschicht 14 als Kathode ausgeführt, wobei als Anode eine Nickelplatte dient. Beispielsweise wird eine negative Elektrode einer Spannungsversorgungsvorrichtung an die photoelektrische Wandlereinheit 11a im Bereich der Oberfläche Rb, der über die Öffnung 33 freiliegt, angeschlossen. Die Elektroplattierung erfolgt in einem Zustand, in welchem die Rückseite isoliert und derart abgedeckt ist, dass die metallplattierte Schicht sich nicht auf der Rückseite der photoelektrischen Wandlereinheit 11 niederschlägt (beispielsweise wird eine die Rückseite bedeckende Isolierharzschicht gebildet und anschließend nach dem Elektroplattierschritt wieder entfernt), indem die photoelektrische Wandlereinheit 11 und die Nickelplatte in die Plattierlösung eingetaucht und zwischen ihnen ein Strom fließen gelassen wird. Als Plattierlösung kann eine bekannte Nickelplattierlösung verwendet werden, die Nickelsulfat oder Nickelchlorid enthält. Auf diese Weise wird über der Oberfläche Rb, die über die Öffnung 33 freiliegt, eine Nickelschicht gebildet, und es bildet sich eine große Anzahl von Partikeln 50 aus.
Dann erfolgt das Elektroplattieren mit einer Kupferplatte als Anode und einer bekannten Kupferplattierlösung, die Kupfersulfat oder Kupfercyanit enthält. Auf diese Weise wird über der bereits gebildeten Nickelschicht eine Kupferschicht gebildet, und der Fingerabschnitt 31 und der Sammelschienenabschnitt 32 aus der plattierten Nickelschicht und der plattierten Kupferschicht entstehen. Die Dicke der plattierten Metallschicht beträgt beispielsweise 30 μm bis 50 μm und lässt sich durch die angelegte Stromstärke (Strom × Zeit) justieren.
Anschließend wird über der Metallschicht 41 mittels Siebdruck ein Sammelschienenabschnitt 42 gebildet (5(e)). In diesem Schritt wird nach dem durch Siebdruck erfolgenden Aufbringen einer leitenden Paste (beispielsweise Silberpaste) in einem gewünschten Muster über der Metallschicht 41 ein in der Paste enthaltenes Lösungsmittel verflüchtigt, um den Sammelschienenabschnitt 42 zu bilden. Die leitende Paste enthält beispielsweise ein Duroplast-Bindemittel wie ein Epoxyharz, einen in dem Bindemittelharz dispergierten leitenden Füllstoff wie beispielsweise Silber oder Kohlenstoff, und ein Lösungsmittel wie zum Beispiel Butylcarbitolacetat (BCA). In anderen Worten, der Sammelschienenabschnitt 42 besteht aus einem Bindemittelharz, in welchem der leitende Füllstoff dispergiert ist.
Wenn das Lösungsmittel in der leitenden Paste verflüchtigt und das Bindemittelharz durch Wärme ausgehärtet wird, wird beispielsweise eine Wärmebehandlung angewendet unter Bedingungen von 200°C × 60 Minuten. Das die transparenten leitenden Schichten 30b und 40a bildende TCO wird in dem Schritt der Wärmebehandlung kristallisiert, und die Leitfähigkeit wird gesteigert. Das heißt: der Wärmebehandlungsschritt ist ein Schritt zum Entfernen des Lösungsmittels aus der leitenden Paste und zum Wärme-Aushärten des Bindemittelharzes, und gleichzeitig erfolgt ein Brennschritt, um das TCO zu kristallisieren. Alternativ wird der Schritt des Brennens, das heißt der Schritt des Bildens des Sammelschienenabschnitts 42 nach dem Partikelbildungsschritt und vor dem Elektroplattierschritt vorgesehen.
Auf die oben beschriebene Weise kann eine große Anzahl von Partikeln 50 in der Kontaktfläche R der Oberfläche der transparenten leitenden Schicht 30 geschaffen werden. Anders ausgedrückt, in der Kontaktfläche R wird eine Ungleichmäßigkeit in der Größenordnung von einigen 10 bis einigen 100 nm durch die Partikel 50 gebildet, und die Oberflächengröße der Kontaktfläche R wird deutlich erhöht. Aus diesem Grund wird auch die Kontaktfläche zwischen der transparenten leitenden Schicht 30 und der Sammelelektrode signifikant erhöht, und die Kontaktstärke dazwischen lässt sich verbessern. Weil andererseits die Partikel 50 selektiv nur in der Kontaktfläche R vorgesehen werden, bedingt durch die Existenz der Überzugsschicht 14, lässt sich die Entstehung von Lichtaufnahmeverlusten durch die Partikel 50 unterbinden.
Weil die Sammelelektrode durch Elektroplattieren gebildet ist, lässt sich die Solarzelle 10 bei geringerem Kostenaufwand im Vergleich zu anderen Verfahren fertigen (beispielsweise Sputtern oder Siebdruck). Normalerweise ist die plattierte Elektrode hinsichtlich der Kontakteigenschaften bezüglich der transparenten leitenden Schicht durch andere Verfahren gebildeten Elektroden unterlegen, bei der Solarzelle 10 jedoch lässt sich die Kontaktfestigkeit zwischen der plattierten Elektrode und der transparenten leitenden Schicht 30 verbessern, so dass ein Abschälen der plattierten Elektrode in ausreichendem Maß unterbunden werden kann.
Weil außerdem in der Solarzelle die Partikel 50 mit gleichförmiger Dichte K über der gesamten Kontaktfläche R existieren, lässt sich die Kontaktfläche zwischen der plattierten Elektrode und der transparenten leitenden Schicht enorm steigern. Diese Konfiguration lässt sich realisieren, indem das TCO in dem amorphen Zustand unter Ausfällung der Partikel 50 reduziert und anschließend das TCO kristallisiert wird.
Bezugnehmend auf 6 und 7 soll im folgenden eine Solarzelle 10x einer alternativen Konfiguration bezüglich der Solarzelle 10 im einzelnen erläutert werden. 6 ist eine Draufsicht, die eine Kontaktfläche Rx einer transparenten leitenden Schicht 30x veranschaulicht, und 7 ist ein Diagramm, welches einen beispielhaften Fertigungsprozess für die Solarzelle 10x darstellt. In 7 ist ein Bereich, in welchem die Partikel 50x ausgebildet sind, durch kreuzweises Schraffieren veranschaulicht.
Die Solarzelle 10x hat denselben Aufbau wie die Solarzelle 10 mit Ausnahme der transparenten leitenden Schicht 30x. Der Unterschied gegenüber der Solarzelle 10 (die transparente leitende Schicht 30x) wird im folgenden detailliert beschrieben, die Bestandteile ähnlich jenen der Solarzelle 10 tragen gleiche Bezugszeichen und werden nicht noch einmal beschrieben. Der Fertigungsprozess der Solarzelle 10x unterscheidet sich von jenem der Solarzelle 10 in der Reihenfolge der Schritte, allerdings sind die Verarbeitungsverfahren in jedem einzelnen Schritt ähnlich denen für die Solarzelle 10.
In der transparenten leitenden Schicht 30x existieren in einem Bereich der Kontaktfläche Rx, in welchem eine Kristallkorngrenze 51 des die transparente leitende Schicht 30x bildenden TCOs gebildet ist, die Partikel 50x in einer höheren Dichte als in den übrigen Bereichen (vergleiche 6). Die Kristallkorngrenze 51 wird zum Beispiel über der gesamten transparenten leitenden Schicht 30x in Form eines Netzes gebildet. In der beispielhaften Konfiguration gemäß 6 existiert der Hauptanteil der Partikel 50x in einer linearen Anordnung entlang der Kristallkorngrenze 51, wobei eine kleine Anzahl von Partikeln 50x in einen von der Kristallkorngrenze 51 beabstandeten Bereich vorliegt. Darüber hinaus neigen die entlang der Kristallkorngrenze 51 befindlichen Partikel 50x dazu, einen größeren Partikeldurchmesser Dx anzunehmen als die Partikel 50x, die von der Kristallkorngrenze 51 beabstandet sind.
Die Solarzelle 10x mit dem oben beschriebenen Aufbau lässt sich fertigen durch Wärmebehandlung des TCO und anschließendes Reduzieren des kristallisierten TCO, um die Partikel 50x auszuscheiden (siehe 7). Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform wird das TCO durch die Wärmebehandlung in dem Schritt des Bildens des Sammelschienenabschnitts 42 kristallisiert (7(b)). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Überzugsschicht 14 über dem kristallisierten TCO gebildet, und unter Verwendung der Überzugsschicht 14 als Maske wird eine Oberfläche Rxa, die später die Kontaktfläche Rx werden soll, selektiv solange reduziert, bis die Partikel 50x abgeschieden sind (7(c) und 7(d)). Wenn das kristallisierte TCO reduziert wird, werden die Partikel 50x selektiv an der Kristallkorngrenze 51 ausgefällt. In anderen Worten, in Bereichen verschieden von der Kristallkorngrenze 51 neigt das TCO nicht zu einer Reduktion. Auf diese Weise lässt sich die transparente leitende Schicht 30x erhalten, in der die Partikel 50x an der Kristallkorngrenze 51 konzentriert sind.
Bei der Solarzelle 10x wird der Oberflächenbereich der Kontaktfläche Rx durch die Partikel 50x erhöht, und die Kontaktstärke zwischen der transparenten leitenden Schicht 30x und der Sammelelektrode lässt sich verbessern.
Bezugnehmend auf 8 und 9 wird eine Solarzelle 60 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nun im einzelnen beschrieben.
8 ist ein Diagramm, welches einen Querschnitt der transparenten leitenden Schicht 61 und einer nahegelegenen Zone veranschaulicht, und 9 ist ein Diagramm, das einen beispielhaften Fertigungsprozess für die Solarzelle 60 veranschaulicht.
Die Solarzelle 60 hat denselben Aufbau wie die Solarzelle 10, ausgenommen die transparente leitende Schicht 61. Hier wird die transparente leitende Schicht 61 im einzelnen beschrieben, während die Bestandteile ähnlich jenen der Solarzelle 10 gleiche Bezugszeichen tragen und nicht erneut beschrieben werden (1 und 2 können die Solarzelle 60 zeigen, wenn man das Bezugszeichen „30” durch „61” ersetzt).
In der Solarzelle 60 besitzt die Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 eine säulenähnliche Kristallschicht 61, die über der Lichtaufnahmefläche der photoelektrischen Wandlereinheit 11 gebildet ist, und welche transparent und leitfähig ist, eine nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63, die über der gesamten säulenähnlichen Kristallschicht 62 ausgebildet ist, und die transparent und leitfähig ist, und den Fingerabschnitt 31 sowie den Sammelschienenabschnitt 32, bei denen es sich um eine über der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 62 gebildete Sammelelektrode handelt. Die säulenähnliche Kristallschicht 62 und die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 werden gemeinsam als transparente leitende Schicht 61 bezeichnet. Die Rückseitenelektrode 13 besitzt die transparente leitende Schicht 40, alternativ können aber anstelle der transparenten leitenden Schicht 40 eine säulenähnliche Kristallschicht und eine nicht-säulenähnliche Kristallschicht ähnlich jenen über der Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 vorgesehen sein.
Die säulenähnliche Kristallschicht 62 ist eine Schicht, in der eine in derselben Richtung orientierte Kristallkorngrenze über nahezu der gesamten Zone des Betrachtungsquerschnitts mit Hilfe einer Querschnittsbetrachtung unter Einsatz eines REMs bestätigt werden kann. Die „nahezu gesamte Zone” enthält einen Bereich, der im wesentlichen als die gesamte Zone angenommen werden kann, beispielsweise eine Zone von 95% oder mehr des Betrachtungsquerschnitts. In dem REM-Bild wiederholt sich die Abschattung des Kontrasts in einer Richtung, was als eine Mehrzahl von Säulen in Erscheinung tritt, die in einer Richtung oder in Form eines Bands angeordnet sind. Eine derartige Grenze der Kontrastabschattung ist kennzeichnend für die Kristallkorngrenze.
Die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 ist eine Schicht, in der ein Verhältnis der in verschiedenen Richtungen orientierten Kristallkorngrenzen größer ist als dasjenige der Kristallkorngrenze, die in derselben Richtung orientiert ist, wie es durch die Querschnittsbetrachtung mittels REM ermittelt wird. In dem REM-Bild beträgt der Anteil, in welchem die Kontrastabschattung sich in einer Richtung wiederholt, weniger als 50%, und in einigen Fällen lässt sich der Anteil der regelmäßigen Wiederholung der Kontrastabschattung nicht erkennen.
Die säulenähnliche Kristallschicht 62 ist eine Schicht, in der sämtliche Kristallkorngrenzen gleiche Orientierung besitzen und an einer Seite der photoelektrischen Wandlereinheit 11 in Bezug auf die photoelektrische Wandlereinheit 11 und die Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 existieren.
Die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 ist eine Schicht, in der mindestens eine Kristallkorngrenze die gleiche Orientierung aufweist und nicht sämtliche Kristallkorngrenzen gleiche Orientierung besitzen. Die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 existiert an der Seite der Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 in Bezug auf die photoelektrische Wandlereinheit 11 und die Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12.
In der transparenten leitenden Schicht 61 ist die säulenähnliche Kristallschicht 62 in einem breiteren Bereich als die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 vorgesehen. Die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 ist im Rahmen der Oberfläche der transparenten leitenden Schicht 61 vorzugsweise selektiv vorgesehen an der Kontaktfläche R, bei der es sich um den Kontaktbereich mit der Sammelelektrode handelt, und einer Zone unmittelbar unterhalb der Kontaktfläche R (im folgenden als „Kontaktflächenzone” bezeichnet). Die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 ist vorzugsweise nicht in solchen Bereichen vorgesehen, die verschieden von der Kontaktflächenzone ist, wo das Sonnenlicht aufgenommen wird. In anderen Worten: die transparente leitende Schicht 61 besitzt in der Kontaktflächenzone eine geschichtete Struktur aus der säulenähnlichen Kristallschicht 62 und der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63, während die übrigen Bereiche der transparenten leitenden Schicht 61 eine einlagige Struktur besitzt, welche ausschließlich durch die säulenähnliche Kristallschicht 62 gebildet wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Zusammensetzung der säulenähnlichen Kristallschicht 62 kristallisiertes TCO, und die Zusammensetzung der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 ist ein Reduktionsprodukt von TCO. Wenn beispielsweise das TCO ein Metalloxid mit der Primärzusammensetzung von Indiumoxid (In₂O₃) ist, so ist die Zusammensetzung der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 Indiumoxid, welches reicher an Indium ist, verglichen mit dem In₂O₃, welches die anderen Bereich als die Kontaktflächenzone bildet, oder In.
Eine Dicke der transparenten leitenden Schicht 61 liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 30 nm–50 nm, und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 50 nm–200 nm. Eine Dicke der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 ist vorzugsweise geringer als die Dicke der säulenähnlichen Kristallschicht 62. Insbesondere liegt ein Verhältnis der Dicke der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 zu der Dicke der säulenähnlichen Kristallschicht 62 (Dicke der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63/Dicke der säulenähnlichen Kristallschicht 62) vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,2–0,8, und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,3–0,6. Beispielsweise hat die Dicke der säulenähnlichen Kristallschicht 62 einen Wert von 80 nm, und die Dicke der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 einen Wert von 20 nm. Diese Dicken sind Durchschnittswerte der Abmessungen entlang der Dickenrichtung, gemessen durch eine Querschnittsbetrachtung mittels REM.
In der transparenten leitenden Schicht 61 ist die Dicke des Bereichs, in welchem die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 gebildet ist, geringer als die Dicke der übrigen Bereiche. In anderen Worten: in der transparenten leitenden Schicht 61 ist der Bereich, in welchem der Reduktionsprozess für das TCO angewendet wird, dünn gehalten.
Die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 kann nahezu über der Gesamtheit der Kontaktfläche R oder einem Teil der Kontaktfläche R ausgebildet sein. Wenn die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 in einem Teil der Kontaktfläche R vorhanden ist, das heißt, wenn die säulenähnliche Kristallschicht 62 und die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 in der Kontaktfläche R vorhanden sind, beträgt die Fläche der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 vorzugsweise 20% bis 80% der Flächengröße der Kontaktfläche R, insbesondere bevorzugt 25% bis 75% der Flächengröße der Kontaktfläche R. Darüber hinaus existiert vorzugsweise die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 auf der Kontaktfläche R gleichmäßig und gleichförmig.
In der transparenten leitenden Schicht 61 ist ein Flächenwiderstand der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 größer als ein Flächenwiderstand der säulenähnlichen Kristallschicht 62. Der Flächenwiderstand der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 ist beispielsweise um einen Faktor des 1,5-Fachen bis 5-Fachen größer als der Flächenwiderstand der säulenähnlichen Kristallschicht 62. Der Flächenwiderstand lässt sich mit Hilfe eines bekannten Verfahrens (beispielsweise mit dem Vierpunkt-Sondenverfahren) messen.
Der Flächenwiderstand der Kontaktflächenzone kann groß sein; dies deshalb, weil die zu der Sammelelektrode fließenden Ladungsträger aus einer unmittelbar unten liegenden Zone Z der transparenten leitenden Schicht 61 gesammelt werden können.
Bezugnehmend auf 9 wird ein Fertigungsprozess für die Solarzelle 60 mit dem oben beschriebenen Aufbau im einzelnen beschrieben. 9 ist ein Diagramm, welches einen beispielhaften Fertigungsprozess für die Solarzelle 60 veranschaulicht. Der Prozess wird hier unter der Annahme beschrieben, dass die Sammelelektrode durch zwei Elektroplattierschritte gebildet wird, nämlich den Nickelplattierschritt und den Kupferplattierschritt unter Verwendung der Überzugsschicht 14 als Maske, wobei der Sammelschienenabschnitt 42 unter Verwendung der leitenden Paste durch Siebdruck gebildet wird.
Nachdem die TCO-Schicht einer einzelnen Lage gebildet ist, wird die TCO-Schicht reduziert, um die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 auszubilden. Die säulenähnliche Kristallschicht 62 wird bei der Bildung der TCO-Schicht gebildet. Allerdings ist das Bildungsverfahren für die säulenähnliche Kristallschicht 62 und die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 nicht auf dieses Verfahren beschränkt. Beispielsweise kann die säulenähnliche Kristallschicht 62 gebildet werden durch thermisches Behandeln der die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 aufweisenden TCO-Schicht, nachdem die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 gebildet wurde.
Bei dem Fertigungsprozess der Solarzelle 60 wird als erstes die photoelektrische Wandlereinheit 11 mit Hilfe eines bekannten Verfahrens gefertigt (der Fertigungsprozess der photoelektrischen Wandlereinheit 11 wird hier nicht im einzelnen beschrieben). Wenn die photoelektrische Wandlereinheit 11 vorbereitet ist, wird über der Lichtaufnahmefläche der photoelektrischen Wandlereinheit 11 die Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 gebildet, und auf der Rückseite der photoelektrischen Wandlereinheit 11 wird die Rückseitenelektrode 13 gebildet. Bei dem in 9 dargestellten Beispiel-Aufbau wird eine transparente leitende Schicht 61a, bei der es sich um einen Vorläufer der transparenten leitenden Schicht 61 handelt, über der gesamten Lichtaufnahmefläche der photoelektrischen Wandlereinheit 11 gebildet, und die transparente leitende Schicht 40 wird über der Rückseitenfläche der photoelektrischen Wandlereinheit 11 gebildet. Anschließend wird über der transparenten leitenden Schicht 40 die Metallschicht 41 gebildet (9(a)). Die transparenten leitenden Schichten 61a und 40 können durch chemisches Niederschlagen auf der Dampfphase (CVD-Verfahren) gebildet werden. Die Schichterzeugung nach dem CVD-Verfahren wird vorzugsweise unter einer Temperaturbedingung von etwa 200°C–300°C ausgeführt, und das TCO wird durch die Wärme kristallisiert, wodurch die säulenähnliche Kristallschicht 62 gebildet wird. Die Metallschicht 41 kann zum Beispiel durch Sputtern gebildet werden.
9(b)–9(d) zeigen eine Maskenbildungsschicht, einen Schritt zur Bildung der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht und einen Elektroplattierschritt. Bei dem Maskenbildungsschritt wird die aus einem photoaushärtenden Harz bestehende Überzugsschicht 14 als Maske über der transparenten leitenden Schicht 41a gebildet. In dem Maskenbildungsschritt wird eine bemusterte Überzugsschicht 14 über der gesamten Zone der Lichtaufnahmefläche gebildet. Die bemusterte Überzugsschicht 14 lässt sich durch ein bekanntes Verfahren herstellen. Beispielsweise wird die bemusterte Überzugsschicht 14 gebildet, indem man eine Dünnschichtlage aus einem photohärtenden Harz über der Lichtaufnahmefläche durch Spin-Auftrag, durch Sprühen oder dergleichen bildet und anschließend einen photolithographischen Prozess zur Anwendung bringt. Alternativ kann die bemusterte Überzugsschicht 14 auch durch Drucken gebildet werden, beispielsweise durch Siebdruck.
Die Überzugsschicht 14 wird bemustert, um eine Fläche Ra freizulegen, bei der es sich um einen Bereich der Oberfläche der transparenten leitenden Schicht 61a handelt, über der die Sammelelektrode zu bilden ist (die Fläche Ra wird dann zu der Kontaktfläche R). Das heißt, in der Überzugsschicht 14 wird eine der Kontaktfläche R entsprechende Öffnung 33 gebildet. Die Überzugsschicht 14 fungiert außerdem als Maske beim Schritt zum Bilden der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht.
Der Schritt zum Bilden der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht wird zwischen dem Maskenbildungsschritt und dem Elektroplattierschritt ausgeführt. Der Schritt zum Bilden der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht ist eine Schicht, bei dem das TCO an der Oberfläche Ra der transparenten leitenden Schicht 61a mit der säulenähnlichen Kristallschicht 62, freigelegt durch die Öffnung 33, zur Bildung der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 reduziert wird. Wenn das TCO reduziert wird, wird im Anfangsstadium des Reduktionsvorgangs eine Menge Sauerstoff in den TCO reduziert, und der Flächenwiderstand wird verringert, allerdings schreitet bei diesem Schritt der Reduktionsvorgang weiter voran. Bei einem derartigen Prozess wird der Flächenwiderstand größer, als er vor der Reduktion ist, und die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 wird in der Oberfläche Ra und in der Zone unmittelbar unterhalb der Fläche Ra gebildet. Wenn beispielsweise das TCO Indiumoxid (In₂O₃) ist, wird die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 gebildet, in der ein Verhältnisanteil von Indium (In) erhöht ist. Auf diese Weise wird die transparente leitende Schicht 61 mit der säulenähnlichen Kristallschicht 62 und der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 gebildet.
Das Verfahren des Reduktionsprozesses ist nicht speziell beschränkt, solange das TCO in der Fläche Ra selektiv reduziert werden und die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 ausgebildet werden kann. Beispielsweise kann man von einer Reduktion durch einen Wasserstoffplasmaprozess oder von einer elektrolytischen Reduktion Gebrauch machen. Ersterer Prozess ist eine Gasphasenreduktion, letzterer eine Flüssigphasenreduktion. Wenn die elektrolytische Reduktion ausgeführt wird, wird zum Beispiel eine wässrige Lösung aus Ammoniumsulfat als elektrolytische Lösung eingesetzt, die photoelektrische Wandlereinheit 11, über der die Überzugsschicht 14 gebildet wurde, dient als Kathode, und als Anode wird eine Platinplatte verwendet. Die photoelektrische Wandlereinheit 11 und die Platinplatte werden in die Elektrolytlösung eingetaucht, und zwischen ihnen wird ein Strom fließen gelassen. Eine negative Elektrode beispielsweise einer Spannungsversorgungseinrichtung wird an die photoelektrische Wandlereinheit 11a an einem Teil der durch die Öffnung 33 freigelegten Fläche Ra angeschlossen.
Die Dicke und die Flächengröße der Kontaktfläche R der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 lassen sich beispielsweise dadurch einstellen, dass der eingeprägte Strom variiert wird (Strom × Zeit). Typischerweise wird die Dicke ebenso wie die Flächengröße der Kontaktfläche R der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 erhöht, wenn die Stromstärke zunimmt.
In dem Elektroplattierschritt erfolgt ein Elektroplattieren unter Verwendung der photoelektrischen Wandlereinheit 11 mit der darauf gebildeten Überzugsschicht 14 als Kathode und einer als Anode fungierenden Nickelplatte. Eine Negativelektrode beispielsweise einer Spannungsversorgungseinrichtung wird an die photoelektrische Wandlereinheit 11 an einem Teil der Fläche Rb der durch die Öffnung 33 freiliegenden transparenten leitenden Schicht 61 angeschlossen. Das Elektroplattieren wird beispielsweise in einem Zustand ausgeführt, in welchem die Rückseite derart isoliert und abgedeckt ist, dass die metallplattierte Schicht nicht auf der Rückseite der photoelektrischen Wandlereinheit niedergeschlagen wird (beispielsweise wird eine Isolierharzschicht gebildet, welche die Rückseite bedeckt, und nach dem Elektroplattierschritt wird sie wieder entfernt), indem die photoelektrische Wandlereinheit 11 und die Nickelplatte in eine Plattierlösung eingetaucht werden und zwischen ihnen ein Strom fließen gelassen wird. Als Plattierlösung kann eine bekannte Nickelplattierlösung verwendet werden, die Nickelsulfat oder Nickelchlorid enthält. Auf diese Weise wird über der in der Öffnung 33 freiliegenden Fläche Rb, über der die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 gebildet wurde, eine nickelplattierte Schicht gebildet.
Anschließend erfolgt das Elektroplattieren unter Verwendung einer Kupferplatte als Anode und einer bekannten Kupferplattierlösung, die Kupfersulfat oder Kupfercyanit enthält. Auf diese Weise wird über der früher gebildeten nickelplattierten Schicht eine kupferplattierte Schicht gebildet, und es werden der Fingerabschnitt 31 und der Sammelschienenabschnitt 32 mit der nickelplattierten Schicht und der kupferplattierten Schicht erzeugt. Die Dicken der metallplattierten Schicht betragen beispielsweise jeweils 30 μm–50 μm und lassen sich über die Menge des eingeprägten Stroms justieren (Strom × Zeit).
Als nächstes wird über der Metallschicht 41 mittels Siebdruck der Sammelschienenabschnitt 42 gebildet (9(e)). In diesem Schritt wird nach dem Siebdruck einer leitenden Paste (beispielsweise Silberpaste) über der Metallschicht 41 in einem gewünschten Muster, ein in der Paste enthaltenes Lösungsmittel zur Bildung des Sammelschienenabschnitts 42 verflüchtigt. Die leitende Paste enthält ein bei Wärme aushärtendes Bindemittelharz, beispielsweise ein Epoxyharz, einen in dem Bindemittelharz dispergierten leitenden Füllstoff, beispielsweise Silber oder Kohlenstoff, und ein Lösungsmittel wie zum Beispiel Butylcarbitolacetat (BCA). In anderen Worten, der Sammelschienenabschnitt 42 wird aus einem Bindemittelharz hergestellt, in dem ein leitender Füllstoff dispergiert ist. Wenn das Lösungsmittel in der leitenden Paste verflüchtigt ist und das Bindemittelharz durch Wärme ausgehärtet wird, erfolgt beispielsweise eine Wärmebehandlung unter den Bedingungen von 200°C × 60 Minuten.
Alternativ kann die säulenähnliche Kristallschicht 62 durch die Wärmebehandlung während der Aufbringung des Sammelschienenabschnitts 42 gebildet werden. Beispielsweise wird eine TCO-Schicht durch Sputtern (im nicht-erhitzten Zustand) gebildet, und nachdem die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 in der oben beschriebenen Weise gebildet wurde, können die anderen Bereiche als die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 im Rahmen des Wärmebehandlungsschritts unter Bildung der säulenähnlichen Kristallschicht 62 kristallisiert werden.
In der oben beschriebenen Weise kann die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 in der Kontaktfläche R der transparenten leitenden Schicht 61 und in der Zone unmittelbar unterhalb der Kontaktfläche gebildet werden, um eine Schichtstruktur der säulenähnlichen Kristallschicht 62 und der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 zu erhalten. Weil die Kontaktstärke zwischen der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 und der Sammelelektrode eine größere Kontaktstärke zwischen der säulenähnlichen Kristallschicht 62 und der Sammelelektrode hat, lässt sich in der Solarzelle 60 mit der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 in der Kontaktfläche R die Kontaktstärke zwischen der transparenten leitenden Schicht 61 und der Sammelelektrode verbessern.
Andererseits besitzt die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 eine geringere Transparenz als die säulenähnliche Kristallschicht 62. Weil aber die nicht-säulenähnliche Kristallschicht 63 selektiv nur in der Kontaktfläche R vorhanden ist, bedingt durch das Vorhandensein der Überzugsschicht 14, lässt sich die Entstehung eines Lichtaufnahmeverlusts aufgrund der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht 63 verhindern.
Weil außerdem die Sammelelektrode durch Elektroplattieren gebildet wird, lässt sich die Solarzelle 60 im Vergleich zu anderen Verfahren bei geringerem Kostenaufwand fertigen (beispielsweise im Vergleich zu Sputtern und Siebdruck). Normalerweise ist die plattierte Elektrode hinsichtlich der Kontakteigenschaften mit der transparenten leitenden Schicht den durch andere Verfahren gebildeten Elektroden unterlegen, bei der Solarzelle 60 jedoch ist die Kontaktstärke zwischen der plattierten Elektrode und der transparenten leitenden Schicht 61 verbessert, so dass das Abschälen der plattierten Elektrode in ausreichendem Maß unterbunden wird.
Bezugnehmend auf die 10 und 11 wird im folgenden eine Solarzelle 70 nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung detailliert erläutert.
10 ist ein Diagramm, welches einen Querschnitt der transparenten leitenden Schicht 61 und einer dazu nahegelegenen Zone veranschaulicht, und 11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Fertigungsprozesses der Solarzelle 70 veranschaulicht.
Die Solarzelle 70 hat denselben Aufbau wie die Solarzelle 10, ausgenommen die transparente leitende Schicht 71. Die transparente leitende Schicht 71 wird hier im Detail beschrieben, die Komponenten ähnlich derjenigen der Solarzelle 10 tragen gleiche Bezugszeichen und werden nicht erneut beschrieben (1 und 2 können die Solarzelle 70 zeigen, wenn das Bezugszeichen „30” durch „71” ersetzt wird).
In der Solarzelle 70 besitzt die Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 eine hochdichte Schicht 72, die über der Lichtaufnahmefläche der photoelektrischen Wandlereinheit 11 gebildet ist, und welche transparent und leitend ist, eine niedrigdichte Schicht 73, die über der hochdichten Schicht 72 gebildet wird und eine geringere Dicke aufweist als die hochdichte Schicht 72, und die transparent und leitend ist, außerdem den Fingerabschnitt 31 und den Sammelschienenabschnitt 32, bei denen es sich um eine Sammelelektrode handelt, die über der niedrigdichten Schicht 73 gebildet ist. Die hochdichte Schicht 72 und die niedrigdichte Schicht 73 werden im folgenden kollektiv als transparente leitende Schicht 71 bezeichnet. Die Rückseitenelektrode 13 enthält die transparente leitende Schicht 40, alternativ jedoch können eine hochdichte Schicht und eine niedrigdichte Schicht anstelle der transparenten leitenden Schicht 40 vorgesehen sein, ähnlich der Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12.
Die hochdichte Schicht 72 ist eine Schicht, in der ein tieferes, dunkleres Bild als die niedrigdichte Schicht 73 in der Querschnittsbildbetrachtung mit Hilfe des REM erhalten wird. In anderen Worten: in dem REM-Bild unterscheidet sich ein Maß der Abschattung und Absorption eines Elektronenstrahls im Verhältnis zu der Dichtedifferenz, und der Bereich hoher Dichte ist dunkler aufgrund der geringen Durchlässigkeit für den Elektronenstrahl. In dem REM-Bild der hochdichten Schicht 72 wiederholt sich in nahezu der gesamten Zone des Betrachtungsquerschnitts die Abschattung des Kontrasts in einer Richtung, und es erscheint eine Bandform. Eine derartige Grenze einer Kontrastabschattung zeigt die Kristallkorngrenze. In dem REM-Bild der Schicht geringer Dichte, 73, ist der Bereich, in welchem sich Kontrastabschattung in einer Richtung wiederholt, geringer als 50%, in einigen Fällen lässt sich der Bereich, wo die Kontrastabschattung sich regelmäßig wiederholt, nicht erkennen.
In der transparenten leitenden Schicht 71 ist die hochdichte Schicht 72 in einem weiteren Bereich vorgesehen als die niedrigdichte Schicht 73. Die niedrigdichte Schicht 73 ist an der Oberfläche der transparenten leitenden Schicht 71 vorzugsweise selektiv in der Kontaktfläche R vorgesehen, bei der es sich um einen Kontaktbereich mit der Sammelelektrode handelt, außerdem in der Zone unmittelbar unterhalb der Kontaktfläche R (im folgenden auch als „Kontaktflächenzone” bezeichnet). Darüber hinaus ist die niedrigdichte Schicht 73 vorzugsweise nicht in dem Bereich außer der Kontaktflächenzone, wo das Sonnenlicht aufgenommen wird, vorhanden. In anderen Worten, die transparente leitende Schicht 71 besitzt in der Kontaktflächenzone eine geschichtete Struktur aus der hochdichten Schicht 72 und der niedrigdichten Schicht 73, und die übrigen Bereiche der transparenten leitenden Schicht 71 besitzen eine Einzellagenstruktur, die ausschließlich durch die hochdichte Schicht 72 gebildet wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Zusammensetzung der hochdichten Schicht 72 kristallisiertes TCO, und die Zusammensetzung der niedrigdichten Schicht 73 ist ein Reduktionsprodukt der TCOs. Wenn zum Beispiel das TCO ein Metalloxid mit der Primärzusammensetzung aus Indiumoxid (In₂O₃) ist, so ist die Zusammensetzung der niedrigdichten Schicht 73 Indiumoxid, welches im Vergleich zu den die anderen Bereiche als die Kontaktflächenzone bildenden In₂O₃ reicher an Indium ist, oder ist In.
Eine Dicke der transparenten leitenden Schicht 71 ist vorzugsweise im Bereich von etwa 30 nm–500 nm, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 50 nm–200 nm. Eine Dicke der niedrigdichten Schicht 73 ist vorzugsweise geringer als jene der hochdichten Schicht 72. Insbesondere liegt ein Verhältnis der Dicke der niedrigdichten Schicht 73 bezüglich der Dicke der hochdichten Schicht 72 (Dicke der niedrigdichten Schicht 73/Dicke der hochdichten Schicht 72) vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,2–0,8, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,3–0,6. Beispielsweise beträgt die Dicke der hochdichten Schicht 72 80 nm, und die Dicke der niedrigdichten Schicht 73 beträgt 20 nm. Bei den Dicken handelt es sich um Durchschnittswerte der Längen in Dickenrichtung, gemessen durch eine Querschnittsbetrachtung mit Hilfe der REM.
In der transparenten leitenden Schicht 71 ist die Dicke des Bereichs, wo die niedrigdichte Schicht 73 ausgebildet ist, dünner als die Dicke der übrigen Bereiche. In anderen Worten, in der transparenten leitenden Schicht 71 ist der Bereich, in welchem der Reduktionsprozess des TCO Anwendung findet, dünn gemacht.
Die niedrigdichte Schicht 73 kann sich über nahezu die Gesamtheit der Kontaktfläche R oder über einen Teil derselben erstrecken. Wenn die niedrigdichte Schicht 73 auf einem Teilbereich der Kontaktfläche R vorhanden ist, das heißt, wenn die hochdichte Schicht 72 und die niedrigdichte Schicht 73 auf der Kontaktfläche R existieren, so beträgt die Flächengröße der niedrigdichten Schicht 73 vorzugsweise 20%–80% der Flächengröße der Kontaktfläche R, insbesondere bevorzugt 25%–75% der Flächengröße der Kontaktfläche R. Ferner existiert die niedrigdichte Schicht 73 vorzugsweise gleichmäßig und gleichförmig in der Kontaktfläche R.
In der transparenten leitenden Schicht 71 ist der Flächenwiderstand der niedrigdichten Schicht 73 größer als der Flächenwiderstand der hochdichten Schicht 72. Der Flächenwiderstand der niedrigdichten Schicht 73 ist beispielsweise um einen Faktor des 1,05-fachen bis 5-fachen größer als der Flächenwiderstand der hochdichten Schicht 72. Der Flächenwiderstand lässt sich mit einem bekannten Verfahren (beispielsweise dem Vierpunkte-Sondenverfahren) messen.
Der Flächenwiderstand der Kontaktflächenzone kann groß sein; dies deshalb, weil die in die Sammelelektrode fließenden Ladungsträger in der unmittelbar darunter befindlichen Zone Z der Seitenfläche 31z der Sammelelektrode der transparenten leitenden Schicht 71 gesammelt werden können.
Bezugnehmend auf 11 wird im folgenden detailliert ein Fertigungsprozess für die Solarzelle 70 mit dem oben beschriebenen Aufbau beschrieben. 11 ist ein Diagramm, welches einen beispielhaften Fertigungsprozess für die Solarzelle 70 darstellt. Dabei ist unterstellt, dass die Sammelelektrode durch zwei Elektroplattierschritte gebildet wird, nämlich einen Nickelplattierschritt und einen Kupferplattierschritt unter Verwendung der Überzugsschicht 14 als Maske, und der Sammelschienenabschnitt 42 durch Siebdruck mit Hilfe einer leitenden Paste.
Nachdem die TCO-Schicht mit der Einlagenstruktur gebildet ist, wird auf die TCO-Schicht ein Reduktionsprozess angewendet, um die niedrigdichte Schicht 73 zu bilden. Die hochdichte Schicht 72 wird während der Schichterzeugung der TCO-Schicht gebildet. Allerdings ist das Verfahren zum Ausbilden der hochdichten Schicht 72 und der niedrigdichten Schicht 73 nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Beispielsweise kann die hochdichte Schicht 72 gebildet werden durch thermisches Behandeln der die hochdichte Schicht 72 enthaltenden TCO-Schicht, nachdem die niedrigdichte Schicht 73 gebildet wurde.
Bei dem Fertigungsprozess für die Solarzelle 70 wird als erstes die photoelektrische Wandlereinheit 11 mit Hilfe eines bekannten Verfahrens gebildet (der Fertigungsprozess der photoelektrischen Wandlereinheit 11 wird nicht im einzelnen beschrieben). Wenn die photoelektrische Wandlereinheit 11 erstellt ist, wird über der gesamten Lichtaufnahmefläche der photoelektrischen Wandlereinheit 11 die Lichtaufnahmeflächen-Elektrode 12 gebildet, und auf der Rückseite der photoelektrischen Wandlereinheit 11 wird die Rückseitenelektrode 13 gebildet. Bei der beisipelhaften Konfiguration nach 11 wird eine transparente leitende Schicht 71a als Vorläuferin der transparenten leitenden Schicht 71 über der gesamten Lichtaufnahme der photoelektrischen Wandlereinheit 11 gebildet, und anschließend wird auf der Rückseite der photoelektrischen Wandlereinheit die transparente leitende Schicht 40 ausgebildet. Danach wird über der transparenten leitenden Schicht 40 die Metallschicht 41 gebildet (11(a)). Die transparenten leitenden Schichten 71a und 40 lassen sich beispielsweise durch chemisches Abscheiden aus der Dampfphase (CVD-Verfahren) bilden. Die Schichtbildung durch das CVD-Verfahren wird vorzugsweise unter Temperaturbedingungen von etwa 200°C–300°C gebildet, und das TCO wird durch Hitze kristallisiert, um die hochdichte Schicht 72 zu bilden. Die Metallschicht 41 kann beispielsweise durch Sputtern gebildet werden. 11(b)–11(d) zeigen einen Maskenbildungsschritt, einen Fertigungsschritt für die niedrigdichte Schicht bzw. einen Elektroplattierschritt. Bei dem Maskenbildungsschritt wird als Maske über der transparenten leitenden Schicht 71a eine Überzugsschicht 14 aus einem photoaushärtenden Harz gebildet. Beispielsweise wird bei dem Maskenbildungsschritt über der gesamten Zone der Lichtaufnahmefläche eine bemusterte Überzugsschicht 14 gebildet. Die bemusterte Überzugsschicht 14 kann durch ein bekanntes Verfahren gebildet werden. Beispielsweise kann die bemusterte Überzugsschicht 14 hergestellt werden durch Ausbilden einer Dünnschichtlage aus einem photoaushärtenden Harz über der gesamten Lichtaufnahmefläche mittels Spin-Beschichtung, Sprühen oder dergleichen, um anschließend einen Photolithographieprozess anzuwenden. Alternativ kann die bemusterte Überzugsschicht 14 durch Drucken gebildet werden, beispielsweise durch Siebdruck.
Die Überzugsschicht 14 wird bemustert, um auf der Oberfläche der transparenten leitenden Schicht 71a die Fläche Ra freizulegen, bei der es sich um den Bereich handelt, über der die Sammelelektrode zu bilden ist (die Fläche Ra wird zu der Kontaktfläche R). In anderen Worten: eine der Kontaktfläche R entsprechende Öffnung 33 wird in der Überzugsschicht 14 gebildet. Die Überzugsschicht 14 fungiert auch als Maske bei dem Schritt des Erzeugens der niedrigdichten Schicht.
Der Schritt des Ausbildens der niedrigdichten Schicht wird zwischen dem Maskenbildungsschritt und dem Elektroplattierschritt durchgeführt. Der Schritt des Ausbildens der niedrigdichten Schicht ist ein Schritt, in welchem das TCO in der Fläche Ra mit der hochdichten Schicht 72 gebildeten transparenten leitenden Schicht 71a, die durch die Öffnung 33 freigelegt ist, reduziert wird, um die niedrigdichte Schicht 73 zu bilden. Wenn das TCO reduziert wird, wird im Anfangsstadium des Reduktionsvorgangs ein Sauerstoffanteil des TCO reduziert, wobei sich der Flächenwiderstand verringert, bei dem vorliegenden Schritt jedoch schreitet die Reduktion weiter voran. Bei einem derartigen Prozess wird der Flächenwiderstand größer, als er vor der Reduktion ist, und in der Fläche Ra und der unmittelbar darunter liegenden Zone bildet sich die niedrigdichte Schicht 73 aus. Wenn beispielsweise das TCO Indiumoxid (In₂O₃) ist, wird die niedrigdichte Schicht 73 gebildet, in welcher der Anteil des Indiums (In) erhöht ist. Auf diese Weise wird die transparente leitende Schicht 71 mit der hochdichten Schicht 72 und der niedrigdichten Schicht 73 gebildet.
Ein Verfahren des Reduktionsprozesses ist keiner besonderen Beschränkung unterworfen, solange das TCO in der Fläche Ra selektiv reduziert und die niedrigdichte Schicht 73 gebildet werden kann. Beispielsweise kann man von einer Reduktion durch einen Wasserstoff-Plasmaprozess oder von einer elektrolytischen Reduktion Gebrauch machen. Ersterer Prozess ist eine Gasphasenreduktion, letzterer eine Flüssigphasenreduktion. Wenn die elektrolytische Reduktion durchgeführt wird, wird beispielsweise eine wässrige Lösung von Ammoniumsulfat für die Elektrolytlösung verwendet, die photoelektrische Wandlereinheit 11 mit der darüber ausgebildeten Überzugsschicht 14 wird als Kathode verwendet, und als Anode kommt eine Platinplatte zum Einsatz. Die photoelektrische Wandlereinheit 11 und die Platinplatte werden in die Elektrolytlösung eingetaucht, und zwischen ihnen wird ein Strom fließen gelassen. Beispielsweise wird an die photoelektrische Wandlereinheit 11 eine negative Elektrode einer Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen, und zwar an einen Teil der in der Öffnung 33 freiliegenden Fläche Ra.
Die Dicke und die Flächengröße der Kontaktfläche R der niedrigdichten Schicht 73 lassen sich beispielsweise über die Menge des eingeprägten Stroms (Strom × Zeit) einstellen. Wenn die Strommenge erhöht wird, wird normalerweise die Dicke der Flächengröße der Kontaktfläche R der niedrigdichten Schicht 73 vergrößert.
In dem Elektroplattierschritt wird die Elektroplattierung unter Verwendung der photoelektrischen Wandlereinheit 11 mit der darüber ausgebildeten Überzugsschicht 14 als Kathode und eine Nickelplatte als Anode ausgeführt. Zum Beispiel wird eine negative Elektrode einer Stromversorgungseinrichtung an die photoelektrische Wandlereinheit 11a an einem Teil einer Fläche Rb der transparenten Schicht 71 angeschlossen, welche in der Öffnung 33 freigelegt ist. Das Elektroplattieren geschieht in einem Zustand, in welchem die Rückseite isoliert und abgedeckt ist, so dass die metallplattierte Schicht sich über der Rückseite der photoelektrischen Wandlereinheit niederschlägt (beispielsweise wird eine Isolierharzschicht, die die Rückseite bedeckt, ausgebildet, später dann nach dem Elektroplattierschritt wieder entfernt), indem die photoelektrische Wandlereinheit 11 und die Nickelplatte in eine Plattierlösung eingetaucht und dazwischen ein Strom zum Fließen gebracht wird. Für die Plattierlösung kann eine bekannte Nickelplattierlösung verwendet werden, die Nickelsulfat oder Nickelchlorid enthält. Auf diese Weise wird über der Fläche Rb in der freigelegten Öffnung 33, in der die niedrigdichte Schicht 73 gebildet wurde, eine Nickelschicht gebildet.
Anschließend wird eine Elektroplattierung mit Hilfe einer Kupferplatte als Anode und einer bekannten Kupferplattierlösung, die Kupfersulfat oder Kupfercyanit enthält, durchgeführt. Durch diesen Prozess wird über der zuvor gebildeten Nickelschicht eine Kupferschicht plattiert, und hierdurch werden der Fingerabschnitt 31 und der Sammelschienenabschnitt 32 gebildet, bestehend aus der Nickelschicht und der Kupferschicht. Die Dicken der metallplattierten Schichten betragen beispielsweise jeweils etwa 30 μm–50 μm und lassen sich über die Menge des eingeprägten Stroms justieren (Strom × Zeit).
Anschließend wird über der Metallschicht 41 der Sammelschienenabschnitt 42 mittels Siebdruck ausgebildet (9(e)). Bei diesem Schritt wird nach Aufbringen einer leitenden Paste (beispielsweise Silberpaste) durch Siebdruck auf der Metallschicht 41 in einem gewünschten Muster ein in der Paste enthaltendes Lösungsmittel verflüchtigt, um den Sammelschienenabschnitt 42 zu bilden. Die leitende Paste enthält zum Beispiel ein duroplastisches Bindeharz, beispielsweise ein Epoxyharz, einen in dem Bindeharz dispergierten leitenden Füllstoff, beispielsweise Silber oder Kohlenstoff, und das Lösungsmittel ist zum Beispiel Butylcarbitolacetat (BCA). In anderen Worten, der Sammelschienenabschnitt 42 wird aus dem Bindemittelharz hergestellt, in welchem der leitende Füllstoff dispergiert ist. Wenn das Lösemittel der leitenden Paste verflüchtigt und das Bindemittelharz ausgehärtet wird, geschieht dies beispielsweise durch eine Wärmebehandlung unter Bedingungen von 200°C × 60 Minuten.
Alternativ kann die hochdichte Schicht 72 durch Wärmebehandlung im Zuge der Ausbildung des Sammelschienenabschnitts 42 gebildet werden. Beispielsweise wird die TCO-Schicht durch Sputtern (ohne Aufheizung) gebildet, und nach Ausbildung der niedrigdichten Schicht 73 in der oben beschriebenen Weise können die von der niedrigdichten Schicht 73 verschiedenen Bereiche durch die Wärmebehandlung kristallisiert werden, um die hochdichte Schicht 72 zu erhalten.
Auf diese Weise kann die niedrigdichte Schicht 73 in der Kontaktfläche R der transparenten leitenden Schicht 71 und der unmittelbar darunter liegenden Zone ausgebildet werden, und man kann eine geschichtete Struktur aus der hochdichten Schicht 72 und der niedrigdichten Schicht 73 erhalten. Weil die Kontaktfläche zwischen der niedrigdichten Schicht 73 und der Sammelelektrode größer ist als die Kontaktstärke zwischen der hochdichten Schicht 72 und der Sammelelektrode, lässt sich bei der Solarzelle 70, bei der die niedrigdichte Schicht 73 in der Kontaktfläche R vorhanden ist, die Kontaktfestigkeit zwischen der transparenten leitenden Schicht 71 und der Sammelelektrode verbessert werden.
Andererseits besitzt die niedrigdichte Schicht 73 eine geringere Transparenz als die hochdichte Schicht 72. Weil aber die niedrigdichte Schicht 73 selektiv nur in der Kontaktfläche R vorhanden ist, bedingt durch die Existenz der Überzugsschicht 14, lässt sich ein Lichtaufnahmeverlust durch die niedrigdichte Schicht 73 unterbinden.
Weil außerdem die Sammelelektrode durch Elektroplattieren gebildet wird, lässt sich die Solarzelle 70 im Vergleich zu anderen Verfahren (beispielsweise Sputtern oder Siebdruck) billiger herstellen. Normalerweise ist die plattierte Elektrode bezüglich der Kontakteigenschaften zu der transparenten leitenden Schicht durch andere Verfahren gebildeten Elektroden unterlegen, bei der Solarzelle 70 jedoch lässt sich die Kontaktfestigkeit zwischen der plattierten Elektrode und der transparenten leitenden Schicht 71 verbessern, so dass ein Abschälen der plattierten Elektrode in ausreichendem Maß unterbunden wird.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen lassen sich in passender Weise durch Ausgestaltung innerhalb des Schutzumfangs modifizieren, ohne dass die Vorteile der vorliegenden Erfindung eingebüßt werden.
Oben wurden beispielsweise Konfigurationen beschrieben, bei denen die Partikel 50 und 50x durch einen Reduktionsprozess des TCOs ausgeschieden wurden, alternativ können jedoch die Partikel über der transparenten leitenden Schicht hinzugefügt werden. In diesem Fall kommen als Partikel leitende Nanopartikel aus beispielsweise Silber und Nickel vorzugsweise in Betracht. Beispielsweise kann über der transparenten leitenden Schicht eine Dispersionslösung mit darin dispergierten Nanoteilchen aufgetragen werden, und man kann eine Struktur erhalten, in der die Nanoteilchen über der transparenten leitenden Schicht fixiert sind.
Darüber hinaus sind für die oben erläuterten Ausführungsbeispiele Konfigurationen beschrieben, bei denen der Fingerabdruck 31 und der Sammelschienenabschnitt 32 plattierte Elektroden sind, die durch Elektroplattieren gebildet sind, alternativ können diese Abschnitte jedoch auch durch Sputtern oder Siebdruck gebildete Elektroden sein.
Weiterhin kann die photoelektrische Wandlereinheit 11 in passender Weise in Form von Strukturen modifiziert werden, die sich von der oben beschriebenen Struktur unterscheiden.
Beispielsweise kann gemäß 12 von einer Struktur Gebrauch gemacht werden, in welcher eine eigenleitende (i-Typ-)amorphe Siliciumschicht 101 und eine n-leitende, amorphe Siliciumschicht 102 über der Seite einer Vorderfläche eines n-leitenden, einkristallinen Siliciumsubstrats 100 gebildet sind, und eine p-leitende Zone, gebildet durch eine eigenleitende amorphe Siliciumschicht 103 und eine p-leitende amorphe Siliciumschicht 104, sowie eine n-leitende Zone aus einer eigenleitenden amorphen Siliciumschicht 105 und einer n-leitenden amorphen Siliciumschicht 106 über einer Rückseite des n-leitenden einkristallinen Siliciumsubstrats 100 gebildet sind. In diesem Fall befindet sich die Elektrode nur auf der Rückseite des n-leitenden einkristallinen Siliciumsubstrats 100. Die Elektrode enthält eine p-seitige Sammelelektrode 107 über der p-leitenden Zone und eine n-seitige Sammelelektrode 108 über der n-leitenden Zone. Zwischen der p-leitenden Zone und der p-seitigen Sammelelektrode 107 ist eine transparente leitende Schicht 109 ausgebildet, ebenso zwischen der n-leitenden Zone und der n-seitigen Sammelelektrode 108. Zwischen der p-leitenden Zone und der n-leitenden Zone befindet sich eine Isolierschicht 110.
Außerdem kann gemäß 13 eine Struktur verwendet werden, in welcher die photoelektrische Wandlereinheit 11 mit einem p-leitenden polykristallinen Siliciumsubstrat 120, einer n-Diffusionsschicht 121 auf einer Vorderseite des p-leitenden polykristallinen Siliciumsubstrats 120 und einer Aluminium-Metallschicht 122 über der Rückseite des p-leitenden polykristallinen Siliciumsubstrats 120 gebildet ist.
[Bezugszeichen-Erläuterung]

10, 10x, 60, 70 Solarzelle; 11 photoelektrische Wandlereinheit; 12 Lichtaufnahmeflächen-Elektrode; 13 Rückseitenelektrode; 14 Überzugsschicht; 20 Substrat; 21, 22 amorphe Halbleiterschicht; 30, 30x, 61, 71, 40 transparente leitende Schicht; 31 Fingerabschnitt; 31z Seitenfläche; 32, 42 Sammelschienenabschnitt; 33 Öffnung; 41 Metallschicht; 50, 50x Partikel; 51 Kristallkorngrenze; 62 säulenähnliche Kristallschicht; 63 nicht-säulenähnliche Kristallschicht; 72 hochdichte Schicht; 73 niedrigdichte Schicht; R, Rx Kontaktfläche; Z Zone unmittelbar darunter.

Claims

Solarzelle, umfassend: eine photoelektrische Wandlereinheit; eine transparente, leitende Schicht, die über einer Hauptfläche der photoempfindlichen Wandlereinheit gebildet ist; und eine Sammelelektrode, die über der transparenten, leitenden Schicht gebildet ist, wobei die transparente, leitende Schicht auf einer Oberfläche von ihr Partikel aufweist.
Solarzzelle nach Anspruch 1, bei der die transparente, leitende Schicht mittels eines transparenten, leitenden Oxids gebildet ist, und eine Zusammensetzung der Partikel ein Reduktionsprodukt des transparenten, leitenden Oxids ist.
Solarzelle nach Anspruch 2, bei der ein Partikeldurchmesser der Partikel größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 200 nm ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Partikel selektiv in einem Kontaktbereich mit der Sammelelektrode mit der Oberfläche der transparenten, leitenden Schicht existieren.
Solarzelle nach Anspruch 4, bei der die Partikel gleichmäßig über der gesamten Zone des Kontaktbereichs existieren.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Partikel in einem Bereich der Oberfläche der transparenten, leitenden Schicht, in welchem eine Kristallkorngrenze des transparenten, leitenden Oxids gebildet ist, in einer höheren Dichte existieren als in den übrigen Bereichen.
Solarzelle, umfassend: eine photoelektrische Wandlereinheit; und eine über einer Hauptfläche der photoelektrischen Wandlereinheit gebildete Elektrode, wobei die Elektrode aufweist: eine säulenähnliche Kristallschicht, die über der Hauptfläche der photoelektrischen Wandlereinheit gebildet ist und transparent und leitend ist; eine nicht-säulenähnliche Kristallschicht, die über der säulenähnlichen Kristallschicht gebildet ist und außerdem transparent und leitend ist; und eine Sammelelektrode, die über der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht gebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 7, bei der die säulenähnliche Kristallschicht und die nicht-säulenähnliche Kristallschicht mittels transparenter leitender Oxide gebildet sind, und eine Zusammensetzung der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht ein Reduktionsprodukt des transparenten, leitenden Oxids ist.
Solarzelle nach Anspruch 7 oder 8, bei der die nicht-säulenähnliche Kristallschicht selektiv an einem Kontaktbereich mit der Sammelelektrode existiert.
Solarzelle, umfassend: eine photoelektrische Wandlereinheit; und eine über einer Hauptfläche der photoelektrischen Wandlereinheit gebildete Elektrode, wobei die Elektrode aufweist: eine hochdichte Schicht, die über der Hauptfläche der photoelektrischen Wandlereinheit gebildet ist, und transparent und leitend ist; eine niedrigdichte Schicht, die über der hochdichten Schicht gebildet ist, die eine geringere Dichte als die hochdichte Schicht besitzt, und die transparent und leitend ist; eine Sammelelektrode, die über der niedrigdichten Schicht gebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 10, bei der die hochdichte Schicht und die niedrigdichte Schicht mittels transparenter, leitender Oxide gebildet sind, und eine Zusammensetzung der niedrigdichten Schicht ein Reduktionsprodukt des transparenten, leitenden Oxids ist.
Solarzelle nach Anspruch 10 oder 11, bei der die niedrigdichte Schicht selektiv an einem Kontaktbereich mit der Sammelelektrode existiert.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Sammelelektrode eine metall-plattierte Elektrode ist.
Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle, umfassend: Ausbilden einer transparenten leitenden Schicht, die mittels eines transparenten, leitenden Oxids über einer Hauptfläche einer photoelektrischen Wandlereinheit gebildet wird; Reduzieren des transparenten, leitenden Oxids in einem Bereich einer Oberfläche der transparenten leitenden Schicht, über dem eine Sammelelektrode zu bilden ist, um Partikel zu bilden; und anschließendes Bilden der Sammelelektrode über dem Bereich.
Verfahren zum Fertigen der Solarzelle nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: – nach dem Bilden der Partikel-thermisches Behandeln des transparenten, leitenden Oxids, um das transparente, leitende Oxid zu kristallisieren.
Verfahren zum Fertigen der Solarzelle nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: thermisches Behandeln des transparenten, leitenden Oxids, um dieses zu kristallisieren, und anschließend Reduzieren des transparenten, leitenden Oxids, um die Partikel zu bilden.
Verfahren zum Fertigen der Solarzelle, umfassend: Ausbilden einer transparenten, leitenden Schicht, die mittels eines transparenten leitenden Oxids über einer Hauptfläche einer photoelektrischen Wandlereinheit gebildet wird; Reduzieren des transparenten, leitenden Oxids in einem Bereich einer Oberfläche der transparenten, leitenden Schicht, über dem eine Sammelelektrode zu bilden ist, um eine nicht-säulenähnliche Kristallschicht zu bilden; und einen anschließenden Schritt des Bildens der Sammelelektrode über dem Bereich, wobei in dem Schritt des Bildens der Sammelelektrode das transparente, leitende Oxid vor oder nach der Bildung der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht thermisch behandelt wird, um eine säulenähnliche Kristallschicht in anderen Bereichen als der nicht-säulenähnlichen Kristallschicht zu bilden.
Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle, umfassend: Bilden einer transparenten, leitenden Schicht mittels eines transparenten, leitenden Oxids über einer Hauptfläche einer photoelektrischen Wandlereinheit; Reduzieren des transparenten leitenden Oxids in einem Bereich einer Oberfläche der transparenten leitenden Schicht, über dem eine Sammelelektrode zu bilden ist, um eine niedrigdichte Schicht zu bilden, und einen anschließenden Schritt des Bildens der Sammelelektrode über dem Bereich, wobei in dem Schritt des Bildens der Sammelelektrode das transparente leitende Oxid vor oder nach der Bildung der niedrigdichten Schicht thermisch behandelt wird, um eine hochdichte Schicht mit einer höheren Dichte als die niedrigdichte Schicht in anderen Bereichen als der niedrigdichten Schicht zu bilden.
Verfahren zum Fertigen der Solarzelle nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem die Sammelelektrode durch Elektroplattieren gebildet wird.